气体传感和过程控制——快速监测多种气体

介绍

        气体光谱学是一种强大的技术，广泛应用于各种实际应用。它在环境监测、工业过程控制、大气研究、燃烧分析和许多其他领域中发挥着至关重要的作用。通过测量光分子和气体分子之间的相互作用，光谱学提供了有关气体成分、浓度和其他特性的宝贵见解。

        宽带方法，例如傅里叶变换光谱，通常用于气体光谱。傅里叶变换光谱法利用干涉仪来测量光的强度与波长的关系。这种方法可同时捕获整个光谱，从而可以在一次测量中分析多种气体。

关键挑战：傅里叶变换光谱法中的光学延迟扫描

        传统的傅里叶变换光谱在实现高分辨率和快速更新速率方面面临挑战。光谱分辨率受干涉仪臂长差异的限制，这可能需要不切实际的光延迟路径差异。此外，傅里叶变换光谱中使用的机械扫描机制通常会在速度、灵敏度和可靠性方面带来限制。这些限制推动了对替代方法的需求，这些方法可以克服这些挑战，并在气体光谱应用中提供更高的性能。

双梳光谱

        双梳光谱法是一种尖端技术，它利用光梳频率的特性来实现具有快速更新速率的高分辨率气体光谱。与传统的光谱方法不同，双梳光谱不依赖于机械扫描或移动部件。相反，它利用两个精确控制的频率梳来产生稳定且相干的时间干涉图样，通过简单的傅里叶变换即可从中提取光谱信息。

        此外，双梳光谱提供快速更新速率，允许实时和连续监测气体样品。使用简单的光电二极管，可以快速捕获整个气体光谱，无需机械扫描并实现高速数据采集。这种快速更新速率对于实时测量至关重要的动态气体分析和过程控制应用特别有价值。

由单腔双梳激光器驱动的THz-TDS系统中的光学延迟扫描参数的图示。长度为1/frep的光学延迟扫描每1/Δfrep重复一次，由两个光梳重复频率frep的失谐Δfrep给出。

使用单腔双光梳激光器的双光梳光谱

        在双光梳光谱领域，单腔双光梳激光器为实现高分辨率气体分析提供了一种独特的方法。然而，在单腔配置中，由于两个梳子之间的相干时间有限，因此会出现一个常见的挑战，因为它们通常是自由运行的。

        为了应对这一挑战，采用了两种主要策略：快速测量或用于长期相干平均的额外处理步骤。在快速测量的情况下，必须高速进行数据采集，以便在有限的相干时间内捕获所需的信息。这种方法允许对气体样品进行实时分析，但可能会对某些应用施加限制。

        或者，可以采用额外的处理步骤在单腔双梳光谱中获得长期相干平均。一种方法涉及引入辅助连续波 （cw） 激光器，以跟踪梳子之间相对相位的演变。该辅助激光器为相干平均提供了参考，无需外部稳定电子设备即可实现长期稳定的测量。

        另一种技术涉及以高重复频率差异操作电梳，从而实现自洽的相对光学相位采样。在这种情况下，可以在无限期的测量时间内获得梳状线分辨测量值。这种方法无需稳定电子元件，同时仍能实现准确的气体分析。

        这两种策略都增强了单腔双梳光谱的能力，使其能够长时间进行高分辨率气体测量。单腔双梳激光器能够在不依赖稳定电子设备的情况下获得梳状分辨测量结果，为气体传感和过程控制应用提供了更方便、更实用的解决方案。